□ 姜 洋 鄒文康

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聚龍一號(hào) 我國高功率脈沖技術(shù)新的里程碑

□ 姜 洋 鄒文康

伴隨低沉的悶響和大地的震動(dòng)，實(shí)驗(yàn)大廳中迸射出上百道閃電般的紫色光芒——24路強(qiáng)大的電能分別沿12個(gè)方向，從5000立方米的空間壓縮匯聚于僅幾立方厘米的中心靶區(qū)，將100秒內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)百萬焦耳電能在億分之一秒內(nèi)輻射出來，產(chǎn)生能量數(shù)十萬焦耳、功率數(shù)十萬億瓦（瞬時(shí)功率數(shù)倍于全球電網(wǎng)功率）的軟X射線！

這就是中國工程物理研究院（以下簡稱中物院）流體物理研究所自主研發(fā)的、達(dá)世界一流水平的超高功率脈沖強(qiáng)流加速器——聚龍一號(hào)（英文簡稱PTS）裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)的場景。

聚龍一號(hào)裝置的建成，使我國成為世界上極少數(shù)獨(dú)立掌握數(shù)十萬億瓦級(jí)超高功率脈沖加速器設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的國家，是我國高功率脈沖技術(shù)發(fā)展新的里程碑！

高功率脈沖技術(shù)的本質(zhì)是將能量在時(shí)間和空間尺度上進(jìn)行壓縮，以獲得在極短時(shí)間內(nèi)（通常為數(shù)十納秒）的超高峰值功率輸出，是能夠滿足尖端科研需要的一門科學(xué)技術(shù)?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，這種方式能很好地模擬高能量密度狀態(tài)和特殊的流體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)；以Z箍縮（Z-Pinch）為代表的電磁驅(qū)動(dòng)等離子內(nèi)爆適合于大尺度黑腔物理實(shí)驗(yàn)研究，能為慣性約束聚變研究提供一種成本相對(duì)低廉的實(shí)驗(yàn)研究手段，一旦實(shí)驗(yàn)構(gòu)形創(chuàng)新或不穩(wěn)定問題得到突破，其在聚變研究方面的潛力即可展現(xiàn)。這方面的實(shí)驗(yàn)研究已受到美、俄等國的高度重視。另一方面，在流體力學(xué)與物態(tài)方程研究中，固體套筒內(nèi)爆、磁驅(qū)動(dòng)等熵壓縮及高速飛片等實(shí)驗(yàn)技術(shù)日益顯示出獨(dú)特的、不可替代的作用，成為高功率脈沖技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和前沿問題研究的重要貢獻(xiàn)。

鑒于高能量密度物理及實(shí)驗(yàn)室聚變點(diǎn)火研究的重大意義，20世紀(jì)末，中物院制定了適合中國國情的電磁驅(qū)動(dòng)高能量密度物理研究發(fā)展計(jì)劃，其中關(guān)鍵的第一步，就是研制Z箍縮初級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即聚龍一號(hào)。裝置的技術(shù)指標(biāo)確定為輸出電流八百萬至一千萬安培，電流脈沖上升時(shí)間小于千萬分之一秒，功率超過20萬億瓦。

在當(dāng)時(shí)國內(nèi)薄弱的技術(shù)基礎(chǔ)上，研制聚龍一號(hào)裝置這樣的高電壓、大電流、多路并聯(lián)匯聚的大型脈沖功率裝置，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。中物院流體物理研究所研制團(tuán)隊(duì)綜合考慮維護(hù)、診斷等的便捷性，以及滿足不同實(shí)驗(yàn)需要和先進(jìn)性等方面的因素，最終確定了基于電容儲(chǔ)能＋閉合開關(guān)脈沖形成＋水線傳輸＋MITL這一獨(dú)特的技術(shù)路線；提出了分立脈沖形成裝置產(chǎn)生24路、每路太瓦級(jí)功率脈沖的設(shè)計(jì)，采用多個(gè)球—板間隙結(jié)構(gòu)自擊穿開關(guān)實(shí)現(xiàn)電流從同軸脈沖形成線到三平板傳輸線的傳輸轉(zhuǎn)換，以及兩路垂直三平板傳輸線錯(cuò)時(shí)疊加至絕緣堆和真空磁絕緣傳輸線實(shí)現(xiàn)24路超高功率脈沖匯流，形成了有特色的聚龍一號(hào)總體設(shè)計(jì)方案。

在總體設(shè)計(jì)方案中，同步觸發(fā)方案是其“靈魂”之所在。由于電流巨大，聚龍一號(hào)裝置需由24路超高功率脈沖功率裝置并聯(lián)而成，每一路能量的釋放由一個(gè)超高功率激光觸發(fā)開關(guān)控制。為保證開關(guān)動(dòng)作的一致性，激光實(shí)際出光時(shí)間與設(shè)定值的誤差不能超過兩億分之一秒。如果將從電容器充電開始到最后能量釋放完成的時(shí)間（約100秒）放大展寬至一千年，那么上述時(shí)間誤差僅相當(dāng)于1.5秒，其技術(shù)難度可想而知。為了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)指標(biāo)，必須設(shè)計(jì)出完善的激光觸發(fā)開關(guān)同步觸發(fā)方案。

當(dāng)時(shí)，美國Z裝置是采用一臺(tái)能量很大的激光器，分為36路激光去觸發(fā)36個(gè)開關(guān)。如果直接借鑒美國的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)降低很多，但是該方案對(duì)激光器能量要求高，光路極其復(fù)雜，難于調(diào)節(jié)。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人鄧建軍研究員、脈沖功率研究室主任謝衛(wèi)平研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合裝置研制特點(diǎn)，提出了采用12臺(tái)激光器、每臺(tái)激光器觸發(fā)兩個(gè)開關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)方案，這樣既能保證24個(gè)超高功率開關(guān)觸發(fā)的同步性，又能實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分時(shí)控制，觸發(fā)光路也極為簡化；同時(shí)具備維護(hù)和運(yùn)行效率高的優(yōu)越性。

由于當(dāng)時(shí)國際上尚無先例可循，這方案甫一提出，受到了國內(nèi)部分相關(guān)專家的質(zhì)疑。在激光觸發(fā)方案專題論證咨詢會(huì)上，部分國內(nèi)從事激光器研究的權(quán)威專家認(rèn)為，國內(nèi)尚無滿足要求的激光器，而且按照這種激光器的常規(guī)控制方式和水平，出光時(shí)間要達(dá)到所需的精度幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。

面對(duì)諸多質(zhì)疑，項(xiàng)目組在開展了大量關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)方案和驗(yàn)證性樣機(jī)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了充分的分析和細(xì)致論證，證實(shí)了該方案可行性，并最終取得了成功。在隨后2006年的首屆亞歐脈沖功率會(huì)議上，聚龍一號(hào)團(tuán)隊(duì)交流了激光開關(guān)的技術(shù)方案，引起了美方的高度重視。2007年，美國圣地亞實(shí)驗(yàn)室Z裝置升級(jí)完成，其激光開關(guān)的觸發(fā)方案也改為由36臺(tái)小激光器觸發(fā)，旁證了這一方案的先進(jìn)性。

歷經(jīng)十余載坎坷征程，團(tuán)隊(duì)攻克了多項(xiàng)世界級(jí)難題，終獲成功！2013年10月10日，聚龍一號(hào)順利通過了由國內(nèi)知名同行專家組成的鑒定委員會(huì)的成果鑒定：“該項(xiàng)目提出了有特色的超高功率多路匯流裝置的總體設(shè)計(jì)方案，突破了多路太瓦量級(jí)電脈沖的納秒級(jí)精確時(shí)間控制、超高功率脈沖的產(chǎn)生和傳輸與匯聚等關(guān)鍵技術(shù)，自主研制成功國內(nèi)首臺(tái)多路并聯(lián)超高功率脈沖裝置，是我國高功率脈沖技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)里程碑。”

2014年6月，在美國華盛頓舉行的第41屆國際等離子體科學(xué)會(huì)議暨第20屆國際高功率離子束學(xué)術(shù)會(huì)議上，鄧建軍應(yīng)邀做了題為“Overview of pulsed power researches at CAEP（中物院脈沖功率技術(shù)研究概述）”的大會(huì)報(bào)告，引起了國際上的極大關(guān)注和高度贊譽(yù)，美、俄、法等國的參會(huì)專家紛紛表達(dá)了想與我國合作開展研究的意愿。

截止到2015年12月，聚龍一號(hào)已經(jīng)經(jīng)過190余次實(shí)驗(yàn)的歷練。結(jié)果表明，聚龍一號(hào)裝置不僅能產(chǎn)生瞬間功率高達(dá)數(shù)十萬億瓦、溫度數(shù)百萬度的X 射線輻射，還可以產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百萬大氣壓的加載壓力，同時(shí)利用該裝置取得了一批具有國際先進(jìn)水平的Z箍縮物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

十幾年的研制歷程，研究團(tuán)隊(duì)通過獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)和細(xì)致周密的探索攻關(guān)，終使聚龍一號(hào)這條匯聚了智慧的“巨龍”橫空出世。

（作者單位為中物院一所）